燃料電池發(fā)動機各項參數(shù)介紹
發(fā)布時間：
2023-02-20
簡要介紹燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的評估參數(shù)，包括動力性、經(jīng)濟性、動態(tài)響應特性、功率品質(zhì)、環(huán)境適應性、可靠性、耐久性。
1、動力性
動力性是指燃料電池發(fā)動機為整車提供動力輸出的能力及與之密切相關的性能，主要反映了燃料電池發(fā)動機設計和評價人員對于其滿足整車行駛、加速、爬坡和用電要求的評價，動力性指標對于燃料電池動力系統(tǒng)設計，參數(shù)匹配，燃料電池汽車整車動力性指標等都具有十分重要的指導和參考意義。
衡量燃料電池發(fā)動機動力性的主要指標包括:額定凈輸出功率、過載功率及過載功率持續(xù)時間、體積比功率、質(zhì)量比功率。
（1）、額定凈輸出功率
燃料電池發(fā)動機在制造廠規(guī)定的額定工況下能夠持續(xù)工作的凈輸出功率，即燃料電池堆輸出功率減去輔助系統(tǒng)消耗功率后所剩的功率，單位為千瓦(kW) 額定凈輸出功率反映了燃料電池發(fā)動機在最常用的額定工況下為整車提供功率輸出的能力。
（2）、過載功率及過載功率持續(xù)時間
過載功率反映了燃料電池發(fā)動機在最高車速下的后備功率輸出能力，仍然由車輛行駛的功率平衡方程可知，它決定了整車在極限工況下的動力學性能，過載功率持續(xù)時間與過載功率成對使用，單位為秒(s)。
（3）、體積比功率
燃料電池發(fā)動機單位體積能夠輸出的額定功率，單位為kW/L 體積比功率反映燃料電池系統(tǒng)設計的空間緊湊程度，與汽車總布置形式密切相關。
（4）、質(zhì)量比功率
燃料電池發(fā)動機單位質(zhì)量能夠輸出的額定功率，單位為kW/kg或W/kg，質(zhì)量比功率也稱為功率密度，反映燃料電池系統(tǒng)輕量化設計水平，對汽車輕量化設計具有重要意義，體積比功率和質(zhì)量比功率是燃料電池發(fā)動機的重要性能指標，能夠反映其系統(tǒng)集成度。
2 、經(jīng)濟性
經(jīng)濟性是指燃料電池發(fā)動機在滿足其他方面要求的前提下，盡可能少地消耗能源和成本的性能，經(jīng)濟性指標對于提高燃料電池汽車續(xù)駛里程，降低燃料電池發(fā)動機和燃料電池汽車的成本并促進其商業(yè)化具有重要意義。經(jīng)濟性主要指標包括:額定功率下的發(fā)動機效率、額定功率氫消耗率、怠速氫消耗率、有效氫利用率及單位功率成本等。
（1）、額定功率下的發(fā)動機效率
燃料電池發(fā)動機在額定功率輸出時，凈輸出功率與進入燃料電池堆的燃料熱值(低熱值)之比。該指標為最常用的衡量經(jīng)濟性的指標。
（2）、額定功率氫消耗率
燃料電池發(fā)動機在額定功率輸出狀態(tài)下單位時間的氫消耗量，單位為g/s ，額定功率氫消耗率與燃料電池汽車的續(xù)駛里程密切相關。
（3）、怠速氫消耗率
燃料電池發(fā)動機在怠速狀態(tài)下單位時間的氫消耗量，單位為g/s，燃料電池汽車工況復雜多變，而怠速是汽車經(jīng)常遇見的情況。盡管在混合動力系統(tǒng)中，燃料電池系統(tǒng)怠速與車輛的怠速并不同時出現(xiàn)，而且通過優(yōu)化系統(tǒng)配置和控制策略可以大幅減少怠速時間，但是怠速工況仍然會出現(xiàn)。
（4）、有效氫利用率
有效氫利用率是燃料電池發(fā)動機在正常工作條件下，由燃料電池堆通過電化學反應轉(zhuǎn)換為水的氫氣占總共所加注氫氣的質(zhì)量百分比，有效氫利用率通常小于100%，主要是由于陽極排放造成的。提高有效氫利用率，不但有利于提高燃料經(jīng)濟性，而且也有助于減少排氫。
3 、動態(tài)響應特性
動態(tài)響應特性是指燃料電池發(fā)動機在非穩(wěn)態(tài)工況下的快速響應能力，燃料電池汽車工況復雜多變，功率需求變化較大，要求燃料電池發(fā)動機有好的動態(tài)響應特性以及時滿足整車動力需求 動態(tài)響應特性的指標包括:啟動時間、零下冷啟動時間、平均功率加載速率及0%-100%額定功率響應時間等。
（1）、啟動時間
燃料電池發(fā)動機在室溫下(25℃)從開始啟動到進入怠速的響應時間，單位為s。
（2）、零下冷啟動時間
燃料電池發(fā)動機在低于0℃溫度下從開始啟動到進入怠速的響應時間，單位為s。在同樣的低溫下，該時間越短，燃料電池發(fā)動機的動態(tài)性越好。
（3）、平均功率加載速率
燃料電池響應整車控制器功率需求，給出的可以進行變加載的速率，單位為kW/s。功率加載速率反映了運行狀態(tài)下燃料電池發(fā)動機的動態(tài)響應水平。
（4）、0%-100%額定功率響應時間
燃料電池發(fā)動機從怠速狀態(tài)(0%額定功率)到額定輸出(100%額定功率)的響應時間，單位為s。
4 、功率品質(zhì)
功率品質(zhì)是指燃料電池發(fā)動機在工作過程中平穩(wěn)輸出電功率的性能，反映了燃料電池發(fā)動機輸出功率的品質(zhì)，特別要求燃料電池發(fā)動機輸出電壓應保持一定的平穩(wěn)性，以利于直流變換器及其他高壓電器工作，其主要指標包括:電壓范圍、額定功率下電壓波動帶寬、過載工況下電壓下降百分比等。
（1）、電壓范圍
燃料電池發(fā)動機在全工況下的電壓范圍，單位為Ⅴ。全工況電壓范圍包括了從燃料電池發(fā)動機的開路電壓到最大電流密度下的電壓，反映了燃料電池發(fā)動機的功率品質(zhì)。
（2）、額定功率下電壓波動帶寬
燃料電池發(fā)動機在額定功率輸出時電壓波動的帶寬(幅度)，單位為Ⅴ。該指標反映了燃料電池發(fā)動機平穩(wěn)輸出額定功率的能力。
（3）、過載工況下電壓下降百分比
該指標是指燃料電池發(fā)動機在過載工況下相對于額定工況電壓下降的百分數(shù)，若在過載工況下電壓下降過多，會造成輸出功率下降，無法滿足過載功率的輸出要求。
5 、環(huán)境適應性
環(huán)境適應性是指燃料電池發(fā)動機適應周圍環(huán)境的能力，主要反映了對于燃料電池發(fā)動機在不同環(huán)境條件下均能按預期要求，可靠工作的特性。在設計燃料電池發(fā)動機時，必須考慮滿足環(huán)境適應性指標，以保證燃料電池汽車能夠在各種環(huán)境下正常行駛。常見的適應性指標包括:最低啟動溫度、工作環(huán)境溫度范圍、工作海拔范圍、存儲溫度范圍等。
（1）、最低啟動溫度
燃料電池發(fā)動機能夠啟動成功的最低環(huán)境溫度，單位為℃。低溫啟動是燃料電池汽車商業(yè)化的技術瓶頸之一。降低最低啟動溫度，是提高燃料電池發(fā)動機低溫適應性的重要目標。
（2）、工作環(huán)境溫度范圍
該指標是指燃料電池發(fā)動機可以非失效工作的環(huán)境溫度范圍。環(huán)境溫度主要對燃料電池發(fā)動機散熱，進氣溫度等有很大影響。
（3）、工作海拔范圍
該指標是指燃料電池發(fā)動機可以正常工作的海拔范圍。海拔影響進氣壓力，越高往往越會導致功率下降。
（4）、存儲溫度范圍
燃料電池發(fā)動機在存儲期間可能會經(jīng)歷諸如凍結(jié)/解凍循環(huán)，導致性能衰退，因此存儲溫度范圍也體現(xiàn)了其對環(huán)境的適應性。
6 、可靠性
可靠性是指燃料電池發(fā)動機在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。主要反映了燃料電池發(fā)動機持續(xù)穩(wěn)定正確工作的特性，燃料電池發(fā)動機的可靠性在很大程度上決定了燃料電池汽車整車的可靠性。
這里主要參考傳統(tǒng)發(fā)動機的可靠性評價指標，機械標準中給出的評定指標是平均首次故障時間，平均故障間隔時間，當量故障率及由此得到的綜合評定分數(shù)。國家標準中規(guī)定要評定故障停車次數(shù)，首次故障的時間及平均故障時間。考慮到燃料電池發(fā)動機自身的特點，結(jié)合常用的可靠性評價指標，選定平均首次故障時間、平均故障間隔時間和平均修復時間三個指標。
（1）、平均首次故障時間
燃料電池發(fā)動機在首次故障前所運行的時間的平均值，單位為h。
（2）、平均故障間隔時間
燃料電池發(fā)動機發(fā)生相鄰兩次故障之間所運行時間的平均值，單位為h。
（3）、平均修復時間
燃料電池發(fā)動機修復故障所用時間的平均值，單位為h。
7 、耐久性
質(zhì)子交換膜燃料在平穩(wěn)工作時壽命可以高達到100000h，但是在汽車應用中，往往無法達到上述期望值，燃料電池汽車耐久性主要受燃料電池性能衰退和壽命極限影響。
（1）、發(fā)動機壽命
燃料電池發(fā)動機壽命，以額定功率輸出衰減到原來的90%的工作時間來評價，單位為h。
（2）、電壓衰退率
對車用燃料電池發(fā)動機在實際運行條件的性能變化進行數(shù)據(jù)跟蹤，可以得到燃料電池發(fā)動機實際運行中輸出電壓的緩慢變化，即同樣電流(電流密度)及工作條件下，輸出的功率降低了 以小時為間隔的電壓衰退率單位為μV/h 不同時間段極化特性曲線變化及不同電流下輸出功率變化如圖所示：
不同時間段極化特性曲線變化及不同電流下輸出功率變化
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